作者：Sergey V. Bormalev, Valery G. Avgustinovich, Aleksey M. Sipatov, Michail V. Usanin, Aviadvigatel Perm

翻譯：上海安世亞太

 

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前言

由于針對有害排放物和噪聲水平具有嚴格的國際標準，設計和開發燃氣渦輪發動機的公司正面臨著艱巨的任務——制造具有高生態效率的發動機。為了滿足這些要求，需要對發動機內部發生的過程進行數值模擬，以深入了解發生的情況，并確定導致這種行為的因素。對于高旁路比的航空發動機，風扇級產生的聲噪聲是發動機總噪聲水平的主要貢獻者。

針對這些噪聲要求，我們使用ANSYS CFX計算流體力學(CFD)軟件來估算不同風扇級幾何的氣動和聲學效率。

圖1. 風扇級幾何模型

 

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幾何模型

為了開發FEGV（風扇出口導葉）的幾何，將FEGV中表面非定常壓差的區域平均振幅作為轉子-定子聲源的主要來源。振幅由風扇級的三維非定常CFD計算獲得。參考文獻表明，使用該方法的計算結果與實驗數據具有良好一致性。

圖2. FEGV形狀

這種風扇是為一種先進的新型渦輪噴氣發動機設計的。將進口導葉（IGV）和風扇出口導葉（FEGV）按20%比例縮放，以縮小分析域的規模。結果域包含1個風扇葉片通道、2個FEGV通道和4個IGV通道。網格模型由大約150萬個節點組成。研究了四種不同幾何形狀的出口導葉。

選擇徑向設計（無傾角）作為初始幾何。具有20度和30度傾斜角的葉片分別被選作第二種和第三種幾何。具有沿著葉片高度的曲線軸的葉片選作第四種幾何類型。

 

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結果分析

所有的CFD計算都是在ANSYS CFX(CFX-5.6)中進行的，因為該軟件解決方案對非定常流動有良好的效果。對風扇級進行了非定常CFD計算，計算結果表明：

葉片中表面的壓力與吸入面之間存在非定常壓差。然后對中表面的壓差進行傅里葉變換。計算了所有幾何變量下單葉通過頻率（BPF）振幅沿葉片中表面的分布。

計算了前四個BPF諧波的無量綱壓差的區域平均振幅。與初始幾何相比，第四種幾何的第二至第四次諧波的振幅降低了30%至40%。據估計，這相當于源區域中由于轉子-定子相互作用而產生的噪聲水平減少了4.5分貝（對于第二次諧波）和3分貝（對于第四次諧波）。

圖3. 在中段和FEGV表面附近的絕對參考系內的馬赫數分布

圖4. 沿FEGV中表面第一個BPF諧波振幅分布

圖5. 非定常壓差的區域平均振幅

圖6. 四種FEGV變體的相對效率

第一種和第四種FEGV幾何的風扇級效率水平幾乎相同。為了解釋其它幾何形狀風扇級效率降低的原因，確定了所有變體在FEGV出口段的總壓分布。對于第三種幾何，總壓的重大損失是由渦流行為造成的，該渦流行為存在于該FEGV形狀的輪轂區域中。第四種幾何是在獲得第三種幾何的計算結果之后設計的，因此，在第四種幾何設計中避免了輪轂區域總壓高損失的情況。通過使用ANSYS CFX，我們能夠設計出一個產生更少噪聲的高效風扇。

圖7. FEGV出口總壓